low coherence interferometry: from sensor multiplexing to biomedical imaging

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Low Coherence Interferometry: From Sensor Mul7plexing to Biomedical Imaging António Lobo (PhD, MSc, EMBA) Summer School AOP 2012 Porto, June 2829, 2012

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Low  Coherence  Interferometry:  From  Sensor  Mul7plexing  to  

Biomedical  Imaging  

António  Lobo    (PhD,  MSc,  EMBA)    

   Summer  School  AOP  2012  

Porto,  June  28-­‐29,  2012  

Outline  §  Some  history…  

§  LCI  in  op7cal  fiber  sensors  • General  concepts  •  Sensor  mul7plexing  

§  LCI  in  medical  imaging  • Op7cal  Coherence  Tomography  (OCT)  • OCT  op7cal  sources  • OCT  modali7es  

Some  history...  §  Low  Coherence  Interferometry:  Sensing  Applica7ons  

•  1983  –  Al-­‐Chalabi,  B.  Culshaw,  D.E.N.  Davies,  Univ.  College  London,  UK  (First  Interna7onal  Conference  on    Op7cal  Fiber  Sensors,  OFS’1,  London)  

•  First  demonstra7on  of  the  coherence  mul7plexing  in  sensors  •  The  system  was  not  patented  !  

Some  history...  §  Low  Coherence  Interferometry:  Metrology  

•  1987  –  R.  Youngquist,  S.  Carr,  D.E.N.  Davies  –  Op#cs  Le)ers  12  (3),  158-­‐160.  •  First  demonstra7on  on  optoelectronic  metrology  •  Op#cal  Coherence-­‐Domain  Reflectometry  (OCDR)  

Some  history...  §  Low  Coherence  Interferometry:  Medical  Applica7ons  

•  1986  –  A.  Fercher,  E.  Roth,  Medical  Univ.  Vienna,  Austria      (SPIE  Conference  on  Op#cal  Instrumenta#on  for  Biomedical  Laser  Applica#ons)  

•  1988  –  A.  Fercher,  K.  Mengedoht,  et.al.  -­‐  Op#cs  Le)ers  13  (3),  186-­‐188.  •  Par#ally  Coherence  Interferometry  

Some  history...  §  Low  Coherence  Interferometry:  Medical  Applica7ons  

•  1986  –  J.  Fugimoto,  et.al.,  M.I.T.,  USA.    -­‐  Op#cs  Le)ers  11  (3),  150-­‐152.  •  Intensity  Correla#on  •  1991  –  J.  Fujimoto,  et.al.  –  Science  254,  1178-­‐1181.  •  1st  image  in-­‐vitro  –  Op#cal  Coherence  Tomography  (OCT)  

1st  Human  re7na  (in-­‐vitro)  OCT  image  [axial  resolu7on:  15  μm,  wavelength.  830  nm]  

General  Concepts  §  Low  Coherence  (or  “white-­‐light”)  Interferometry  

DC  terms  

auto-­‐correla7on  terms  

cross-­‐correla7on  terms  (important  for  Imaging)  

E(t) = Eref (t)+ Esampl (t +τ n )n∑ =

= Eref (t)+ Esampl (t + Δzn c)n∑

I = E*(t) ⋅E(t)

I(τ ) = I0 ar + ann∑⎡

⎣⎢⎤⎦⎥+

+2I0 anam Re γ ss (τ nm ){ }m≠n∑ +

+2I0 anar Re γ (τ n ){ }n∑

General  Concepts  §  Low  Coherence  (or  “white-­‐light”)  Interferometry  

func7on  that  depends  on  the  source  spectrum  profile  

Coherent  source  (ideal  laser)  

low  coherence  source  (LED,  SLD,  Lamp,…)  

axial  posi7on,  z  axial  posi7on,  z  OPD:  Op7cal  Path  Difference  

I(τ r ) = Const + 2I0 anam ⋅ γ (τ n )n∑ ⋅cos(ωτ n )

γ (τ ) = γ (τ ) e− iωτ

cos(ωτ n ) = cos 2πνnΔzc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ = cos

2πλnΔz⎛

⎝⎜⎞⎠⎟

General  Concepts  §  Low  Coherence  (or  “white-­‐light”)  Interferometry  

•  Why?  §  Sensor  ini7aliza7on  on  “powering-­‐up”  §  Non-­‐ambiguous  dynamic  range  can  be  very  large    §  The  system  can  be  operated  such  that:  

§  (a)  the  measurement  accuracy  is  independent  of  the  source  stability  §  (b)  the  effects  of  wavelength  instability  of  the  source  are  greatly  reduced  

§  The  output  signals  from  many  sensors  can  be  mul7plexed  §  Remote  sensor  tracking  possible  (tandem  configura#on)  §  No  op7cal  isolator  required  (…in  principle!!)  

•  Problems?  §  In  “tandem  configura7on”  requires  a  second  stable  interferometer  §  Op7cal  power  available  from  typical  short  coherence  sources  are  low  

General  Concepts  §  Low  Coherence  Interferometry:  Tandem  Configura7on  

ΔLR   ΔLS  LCS  

IDI0

≈ 1+ γ (ΔLS ) cos2πnλ

ΔLS⎛⎝⎜

⎞⎠⎟+ γ (ΔLR ) cos

2πnλ

ΔLR⎛⎝⎜

⎞⎠⎟+ 2 γ (ΔLS ± ΔLR ) cos

2πnλ(ΔLS ± ΔLR )

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

•   LCS  with  Gaussian  spectrum  •   ΔLS  >>  coherence  length  of  LCS!

General  Concepts  §  Low  Coherence  Interferometry:  Tandem  Configura7on  

•   LCS  is  mul7mode  laser  diode  •   ΔLS  >>  coherence  length  of  LCS!

ΔLR   ΔLS  LCS  

A.S.  Gerges  et.al.,  Appl.  Opt.  29,  4473-­‐4480  (1990).  A.B.  Lobo  Ribeiro  et.al.,Rev.  Sci  Instrum.63,  3586-­‐3589  (1992)  

General  Concepts  §  Low  Coherence  Interferometry:  Tandem  Configura7on  

•  How  to  extend  further  the  non-­‐ambiguous  dynamic  range?  

LCS  @  λ1  

LCS  @  λ2  

ΔLR   ΔLS  

φ1 =2πnλ1(ΔLS − ΔLR )

φe =2πnλe

(ΔLS − ΔLR )

λe =λ1λ2

λ1 − λ2A.B.  Lobo  Ribeiro  et.al.,  Opt.  Commun.109,  400-­‐404  (1994).  

Op7cal  Sources  for  LCI  §  Ideal  characteris7cs  for  fiber  sensors  

•  High  output  op7cal  power  •  Wavelength  emission  around  1550  nm  (3rd  telecom  window)  

•  Smooth  (no  ripple)  “Ideal”  Gaussian  spectrum  profile  

•  Spectral  bandwidth  (FWHM)  larger  as  possible  

•  Non-­‐polarized  output  •  Spectrally  stable  against  back-­‐reflec7ons  (op7cal  isolator?)  •  Singlemode  Fiber  op7c  pigtailed  

•  Low  cost  (…  as  always!!)  

Op7cal  Sources  for  LCI  §  Light-­‐Emiwng  Diode  (LED)  

•  Low  output  power  in  fiber  (μW)  •  MM  or  SM  fiber  pigtailed  

S-­‐LED  IRE-­‐161  λ  =  830  nm  Δλ  =  45  nm  

Measured  with  a  Michelson  interferometer  

Normalize

d  visib

ility  fu

nc7o

n  

OPD  (μm)  

Op7cal  Sources  for  LCI  §  Mul7mode  Laser  Diode  (MM-­‐LD)  

•  High  output  power  in  SMF  pigtailed  fiber  •  But…imposes  some  opera7onal  restric7on  on  sensor  OPD  

Normalize

d  visib

ility  fu

nc7o

n  

OPD  (mm)  

Measured  with  a  Michelson  interferometer  

Op7cal  Sources  for  LCI  §  Superluminescent  Diode  (SLD)  

•  “High”  output  power  in  fiber  (2  to  25  mW,  depending  on  λ)  •  Singlemode  fiber  pigtailed  

Courtesy  of  Superlum  Ltd.  

Op7cal  Sources  for  LCI  §  ASE  Fiber  Sources  

•  High  output  power  on  fiber  (>50  mW)  •  Central  wavelength  emission  (typ.):  1550  nm,  1060  nm  

Courtesy  of  Mul7wave  Photonics  S.A.  

Dimensions (mm): 120 x 90 x 22.2"

LCI  in  Sensor  Mul7plexing  §  Coherence  Division  Mul7plexing  (CDM)  

•  Each  sensor  must  have  different  OPD  •  Receiver  interferometer  needs  large  tuning  range  •  Demonstrated  with  polarimetric  sensors  

ΔLR  

ΔL1  LCS  

ΔL2  

J.L.  Santos  and  A.P.  Leite,  Proc.  Conf.  OFS’9,  59-­‐62  (1993).  A.B.  Lobo  Ribeiro  et.al.,  Fiber  &  Integrated  Op7cs  24,  171-­‐199  (2005)  

S1  

S2  

LCI  in  Sensor  Mul7plexing  §  CDM  +  Spa7al  Division  Mul7plexing  (SDM)  

•  Each  sensor  can  have  iden7cal  OPD  •  Receiver  interferometer  needs  smaller  tuning  range  

ΔLR  ΔL1  

LCS  

ΔL2  

A.B.  Lobo  Ribeiro  et.al.,  Proc.  Conf.  OFS’9,  63-­‐66  (1993).  

LCI  in  Sensor  Mul7plexing  §  CDM  +  Wavelength  Division  Mul7plexing  (WDM)  

•  Simultaneous  measurement:  Displacement  +  Temperature  •  Interroga7on  of  small  Fabry-­‐Perot  cavity  (for  displacement)*  •  Fiber  Bragg  Gra7ng  (FBG)  match-­‐pair  technique  (for  temperature)**    

(*)  L.A.  Ferreira  et.al.,  IEEE  Photon.  Technol.  Le|.  8,  1519-­‐1521  (1996).  (**)  A.B.  Lobo  Ribeiro  et.al.,  Appl.  Opt.  36,  934-­‐939  (1997).  

Receiver   Sensor  

FBG  

FP  Cavity  

LCI  Processing    §  Phase  Domain  Processing  

•  Fringe  pa|ern  analysis  is  done  by  measuring  the  op7cal  phase  varia7on:  §  Temporal  fringe  processing  (modula7ng  the  OPD  of  the  receiver  interferometer)  §  Spa7al  fringe  processing  (CCD  detec7on  and  fringe  coun7ng)  

•  OPD  of  the  sensing  interferometer  must  be  greater  than  coherence  length  of  the  source  ⇒  no  interference  is  observed.  

LCI  Processing    §  Spectral  Domain  Processing  

•  Fringe  pa|ern  analysis  is  done  using  a  Op7cal  Spectrum  Analyzer  (OSA)  •  Free  spectral  range  (FSR):    

Normalize

d  ou

tput  

Wavelength,  λ  (nm)  

Gaussian  source:  

FSRλ =

λ02

nΔL

LCI  on  Optoelectronic  Metrology    §  Op7cal  Low  Coherence  Reflectometry  (OLCR)  

 

 W.V.  Sorin,  et.al.,  IEEE  Photon.  Technol.  Le|.  4,  374-­‐376  (1992).   F.P.  Kapron,  et.al.,  J.  Lightwave  Tech.  7,  1234-­‐1241  (1989).  

Low  Coherence  Imaging  §  OLCR  on  Biomedical  Applica7ons?  

•  Proper  choice  of  op7cal  source  is  necessary.  §  Wavelength  §  Spectral  bandwidth  §  Output  op7cal  power  

 

Biological  7ssue  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Coherence  Tomography  (OCT)  

•  Already  an  establish  medical  imaging  technique  •  Ophthalmology,  Cardiology,  Dermatology,  etc.      

1D  Axial  scanning    (Z)  

2D  Axial  scanning    (Z)  

Transverse  scanning  (X)  

3D  Axial  scanning    (Z)  

XY  Scanning  

Backreflected  intensity  

Axial  posi7on    (penetra7on  depth)  

 W.  Drexler  and  J.G.  Fugimoto,  Op#cal  Coherence  Tomography:  Technology  and  Applica#ons,  Springer,  2008  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Coherence  Tomography  (OCT)  

•  Resolu7on  Limits  §  Wider  source  spectrum  ⇒  Higher  axial  resolu7on  §  Higher  Numerical  Aperture  (NA)  ⇒  Large  transverse  resolu7on        

High  NA  

low  NA  

Δx

Δz

b

Δz = 2 ln2π

⋅ λ2

ΔλΔx = 4λ

π⋅ fD

b = 2zR =πΔx2

λ

Axial  Resolu7on   Transverse  Resolu7on  

Depth  Focus  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Source  for  OCT  

•  Large  spectral  bandwidth  ⇒  axial  resolu7on  •  Adequate  central  wavelength  ⇒  absorp7on  7ssue  curve  •  Adequate  spectral  profile  ⇒  Gaussian  profile  •  Enough  op7cal  power  ⇒  be|er  SNR  

Δλ Δz

Δz = 2 ln2π

⋅ λ2

Δλ

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Source  for  OCT  

•  Op7cal  window  of  biological  7ssue  

new  im

aging  windo

w  

800 900 1000 1100 1200 13000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30 Kou et al., Applied Optics, 32, 19, 3531-3540, 1993

Wat

er A

bsor

ptio

n C

oeffi

cien

ts (2

2o C) (

mm

-1)

Wavelength (nm)

~100  nm  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Sources  for  OCT  

Superluminescent  Diode  (SLD)      

MQW  Semiconductor  Op7cal  Amplifier  (MQW-­‐SOA)  

   

ASE  Doped  Fiber  Sources      

KLM  Solid  State  Laser      

Incandescent  Light  Sources      

Supercon7nuum  Sources  

Spectral    BW  

Spectral  region  

Output  power  

Op:cal  stability  

 +  +  ~  ++  ++  Dimensions  

+    +  +  +  +  

 +      ~  +++  ++  ++  

++    ++  ++  +  ~  

+++      +  -­‐-­‐  +  ~  

+++    +++  ++  ~  ~  

Courtesy  (  in  part)  from  Prof.  W.  Drexler  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Sources  for  OCT  

•  Most  common  used  in  commercial  systems:  SLD  

λ0  =  870  nm  Δλ  =  180  nm  

P0  =  5  mW  

Superlum  Ltd.,  Ireland  

180  nm   2.5  μm  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Sources  for  OCT  

•  Mostly  used  in  R&D  systems:  fs-­‐KLM  Ti:Sapphire  laser  

Ophthalmic  OCT  exam    (courtesy  of  Prof.  W.  Drexler)  

FEMTOLASERS  Produk7ons  GmbH,  Vienna,  Austria  

90  cm  

45  cm  

W.Drexler,  et.al.,  Opt.Le|.24(17),1221-­‐1223  (1991).  

λ0  =  800  nm  Δλ  =  165  nm  

Pavg  =  40  mW  

Low  Coherence  Imaging  §  Higher  depth  penetra7on  into  the  eye?  

•  1060  nm  wavelength  region  §  Local  minimum  in  water  absorp7on  §  Lower  sca|ering  7ssue  coefficient  §  Zero  dispersion  point  of  water  §  ANSI  standard  ~2  mW  for  10  s  exposure  7me  

 B.  Povazay,  et.al.,  Opt.Express  17  (5),  4134-­‐4150  (2009)  

840  nm   1060  nm  Eye  Fundus  

SLD  source   ASE  Doped-­‐Fiber  source    

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Sources  for  OCT  

•  ASE  fiber  sources  @  1060  nm  §  Yb-­‐doped  fiber  (usually  used  as  gain  media)  §  Careful  op7c  design  to  avoid  undesired  laser  emission  §  Spectral  tailoring  maybe  necessary      

A.B.  Lobo  Ribeiro,  et.al.,  in  Proc.  SPIE  vol.7139  (U.K.,  2008),  p.713903.  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Sources  for  OCT  

•  ASE  Yb-­‐doped  fiber  source  §  Spectral  bandwidth:  50  nm  (typ.)  §  Output  power  (fiber):  >50  mW    

9.7 µm!

A.B.  Lobo  Ribeiro,  et.al.,  in  Proc.  SPIE  vol.7139  (U.K.,  2008),  p.713903.  

Low  Coherence  Imaging  §  Op7cal  Sources  for  OCT  

•  ASE  fiber  sources  @  1060  nm  §  Broader  spectral  bandwidth  ⇒  other  doped-­‐fiber  combina7ons    

A.B.  Lobo  Ribeiro,  et.al.,  US  Patent  20100315700(A1),  Dec.  2010  

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Nor

mal

ized

inte

rfer

ogra

m

Optical path difference (µm)

7 µm

1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

λ0=1058.124 nm

ΔλFWHM = 71.209 nm

Pout= 21,3 mW

Pow

er d

ensi

ty (d

Bm

/nm

)

Wavelength (nm)

ASE  Yb+Nd-­‐doped  fiber  source    

Low  Coherence  Imaging  §  ASE  Yb+Nd-­‐doped  fiber  source  

•  TD-­‐OCT  system  @  1  μm  §  With  confocal  channel  §  En-­‐face  and  cross  sec7onal  OCT  images  §  15  μm  lateral  resolu7on  §  <  15  μm  axial  resolu7on  §  2  Hz  frame  rate  

I.Trifanov,  et.al.,  IEEE  Photon.  Technol.  Le|.  23,  21-­‐23  (2011).  

Low  Coherence  Imaging  §  ASE  Yb+Nd-­‐doped  fiber  source  

•  TD-­‐OCT  system  @  1  μm  

I.Trifanov,  et.al.,  IEEE  Photon.  Technol.  Le|.  23,  21-­‐23  (2011).  

Choroid  

100  µm  RNFL"

GC/IPL"INL"OPL"ONL"ELM"

RPE"Ch/Chc"

IS/OS"

RNFL:  re7nal  nerve  fiber  layer;  GC/IPL:  ganglion  cell/inner  plexiform  layer;  INL:  inner  nuclear  layer;  OPL:  outer  plexiform  layer;  ONL:  outer  nuclear  layer;  ELM:  external  limi7ng  membrane;  IS/OS:  photoreceptor  inner  segment/outer  segment  junc7on;  RPE:  re7nal  pigment  epithelium;  Ch/Chc:  choroid/choriocapillaris  

Cross  sec7onal  OCT  images  of  re7na  

Low  Coherence  Imaging  §  Other  OCT  Modali7es:  Fourier  Domain  OCT  

Spectral  Domain  OCT  (SD-­‐OCT)   Swept  Source  OCT  (SS-­‐OCT)  

M.  Wojtkowski,  Appl.  Opt.  49  (16),  D30-­‐D60  (2010).  

Low  Coherence  Imaging  §  Human  Choroid  3D-­‐OCT  image  

•  SS-­‐OCT  system  @  1  μm  

Courtesy  of  Prof.  Y.  Yasuno  

Y.  Yasuno,  et.al.,  Opt.  Express  15  (10),  6121-­‐6139  (2007).  

Low  Coherence  Imaging  §  Swept  Fiber  Laser  @  1060  nm  

•  Central  wavelength:  1065  nm  •  Sweeping  frequency:  1-­‐  8  kHz    

A.B.  Lobo  Ribeiro,  et.al.,  US  Patent  2011069722(A1),  Mar.  2011  I.  Trifanov,  et.al.,  in  Proc.  SPIE  vol.7899,Photonics  West  2011,  pp.7899-­‐100  (2011).  

Low  Coherence  Imaging  §  OCT  System  with  Swept  Source  @  1060  nm  

I.  Trifanov,  et.al.,  in  Proc.  SPIE  vol.8091,  BIOS  Europe  2011,  pp.8091-­‐30  (2011).  

Human  tooth  with  lead  implant  (B-­‐scan)  

0  mm  depth   2.5  mm  depth   5  mm  depth  

Acknowledgements  §  UOSE/INESC-­‐TEC  &  Physics  Dept.,  FCUP  (PT)  

•  Prof.  José  Luís  Santos  •  UOSE  R&D  Team  

§  AOG,  School  Phys.  Sci.,  Univ.  Kent  (UK)  §  Prof.  Adrian  Podoleanu    §  Prof.  David  Jackson  §  AOG  R&D  Team  

§  Mul7wave  Photonics  S.A.  (PT)  §  Prof.  José  Salcedo    §  R&D  Team  

§  CMPBE,  Medical  Univ.  Vienna  (Austria)  §  Prof.  Wolfgang  Drexler    §  Dr.  Boris  Povazay  

§  COG,  Tsukuba  Univ.  (Japan)  §  Prof.  Yoshiaki  Yasuno    

Thank  you  for  your  a|en7on